机械压力机平衡器的结构及设计计算

佘宽，徐惠，刘志，徐敏，胡志梅

（扬力集团股份有限公司，江苏 扬州 225127）

0 引言

机械压力机是金属成形行业重要的锻压设备，在汽车及家电行业广泛应用。平衡器是机械压力机的重要部件之一。本文介绍气动式平衡器的结构、作用及设计计算，最后对活塞计算结果利用有限元分析软件进行了优化设计。

1 平衡器的结构

平衡器是气缸、活塞、活塞杆、密封件、进气盖、滑块联结机构等组成。平衡缸的安装位置通常有三种安装形式：①吊挂于横梁下端面（可以是横梁左右两侧、也可以是前后两侧）；②安装于机械压力机立柱内部；③安装横梁上端面。根据滑块部件、连杆、导柱及用户模具重量不同，单台压力机通常选用单只、两只或四只平衡器。平衡器活塞杆通过吊块、挂角或销轴等零件与滑块联结。

2 平衡器的作用

机械压力机平衡器主要作用是：①可以消除连杆轴承间隙、芯轴轴承间隙、调节螺杆螺纹间隙、滑块的间隙，避免零件的冲击和异常磨损；②降低离合器接合时候负载，降低接合电流；③降低滑块调模电机负载；④在制动器失灵或调节螺杆、连杆、导柱等与滑块体联结件异常断裂时，平衡器起到保证滑块体不坠落发生安全事故；⑤平衡器平衡压力机低速副大齿轮重力，保证机床运转时低速附齿轮中心距与理论设计中心距相一致，从而降低齿轮啮合噪声，提高齿轮啮合稳定性。

3 气动平衡器的设计与计算

3.1 平衡缸缸径计算

平衡缸需要平衡影响滑块的重力部件，需平衡的零件主要分为四大类：①平衡缸自身影响滑块部件重量G1：包含平衡缸活塞、活塞杆、平衡缸与滑块联结机构；②滑块部件重量G2：包含滑块本体、调模传动部件、过载保护部件、滑块压力点部件等；③机床传动部件影响滑块的重量G3：包含导柱、连杆、连杆瓦、连杆销、偏心齿轮、偏心轴承套等；④用户上模部件重量G4：包含上模、上模垫板、夹模器或其他锁模装置。

根据用户工厂机床安装位置的气压，可以初步确定平衡器的缸径：

式中：D——单个平衡缸缸径，mm；

G1——平衡缸自身影响滑块部件重量（活塞、活塞杆等）,N；

G2——滑块部件重量（滑块本体、调模传动部件、过载保护部等）,N；

G3——机床传动部件影响滑块的重量（导柱、连杆、偏心齿轮等）,N；

G4——用户最大上模部件重量（上模、上模垫板、夹模器等）,N；

q——机床安装位置处的用户工厂气压，MPa；

m——机床平衡器数量，个；

3.2 平衡缸活塞计算

压力机正常工作时，工厂气源通过平衡器进气口进入平衡器内部，平衡器缸体固定安装在横梁或立柱上，气压作用于平衡器活塞上，活塞通过锁紧螺母与活塞杆连接，活塞杆将平衡器的提升力作用到滑块体上，活塞作为重要的受力部件，可以根据实际受力状况简化为图1 所示受力模型。

图1 简化受力模型

根据图1 受力模型，推导出活塞厚度计算公式:

式中：h 为平衡缸活塞高度，mm；R 为活塞外圆半径,mm；r 为锁紧螺母外圆半径,mm；c 为计算系数，详见表1；q 为用户工厂机床安装位置的气压，MPa；f 为最大挠度，可根据活塞与缸体单边间隙推导；E 为弹性模量。

表1 计算系数

4 平衡器活塞有限元分析与优化

通过理论计算我们可以初步确定某型号平衡器活塞的厚度。为了降低活塞重量的同时能增加活塞的刚度，运用三维软件初定活塞及优化活塞三维建模。如图2 所示为初定活塞，重量358.7kg；图3 为优化活塞，重量349.2kg，优化后活塞降低了9.5kg。并在同等的受力及约束条件下对初定活塞及优化活塞进行有限元分析设计，得出应力及变形，结果分别如图4、图5、图6、图7 所示。

图2 原活塞

图3 活塞优化

图4 原活塞变形结果

图5 优化后活塞变形结果

图6 原活塞应力分析结果

图7 优化后活塞应力分析结果

图4 为原活塞整体变形分析结果，最大变形为0.0823mm；图5 为优化活塞整体变形分析结果最大变形为0.0766mm；

图6 为原活塞整体应力分析结果，最大应力为93.88MPa；图7 为优化活塞整体应力分析结果，最大应力为48.387MPa；

5 结论

压力机平衡器的正确选用与其使用、安全有密切关系。本文对压力机气动平衡器的关键部位进行了理论计算与有限元分析，在保证平衡器安全使用的同时，降低了活塞重量，增加了活塞刚度，降低了活塞最大应力。实际的生产、使用也检验了理论计算的可靠性、稳定性，验证了优化设计的合理性、经济性。